Kupfer-Zink-Legierungen (Messing)

Messing ist eine Legierung aus den Metallen Kupfer und Zink. Die gebräuchlichen Verbindungen enthalten einen Zinkanteil von fünf bis 45 Prozent. Jenseits dessen entstehen keine brauchbaren Legierungen mehr. Das Farbspektrum reicht von goldrot bei hohem Kupferanteil bis hellgelb bei hohem Zinkanteil.

Kupfer und Zink vermischen sich in der Schmelze optimal und bleiben auch beim Erstarren gleichmäßig ineinander verteilt. Messing ist daher ein sehr homogenes Material. Zwar können theoretisch unendlich viele Legierungen zwischen Kupfer und Zink hergestellt werden, doch ist die Zahl der Messingsorten in der Praxis auf einige Dutzend begrenzt. Die neuen Euronormen führen ungefähr 60 Sorten auf. Damit lassen sich weitgehend alle gewünschten physikalischen, chemischen und technologischen Eigenschaften erzeugen.

Doch nicht nur die beiden Grundmetalle sind hervorragend ineinander löslich. Es lassen sich zahlreiche weitere Elemente wie Aluminium, Eisen, Mangan, Nickel, Silizium und Zinn der Schmelze hinzufügen und so neue Legierungen mit vorteilhaften Eigenschaften gewinnen. Messinge mit solch gezielten Zusätzen werden als Sondermessing bezeichnet. Diejenigen Messingsorten, die als dritte Komponente zwecks besserer Zerspanbarkeit kleine Anteile von Blei enthalten, werden auch als Automaten- oder Zerspanungsmessinge bezeichnet.

Die Verwendungsmöglichkeiten sind jedoch ganz unterschiedlich. Oft findet man Produkte aus Messing beispielsweise in der Sanitärinstallation wie etwa Rohre, Armaturen oder Fittings. Hier ist es die hohe Korrosionsbeständigkeit und Stabilität des Materials, die geschätzt wird. Dies ist auch der Grund, weshalb auch Schiffsschrauben aus Messing gefertigt werden. Als Ventile, Lager oder Rohre findet man Messing allerdings auch im Kraftwerks- oder Maschinenbau. Weitere Einsatzbereiche sind zudem die Steuer-, Mess- und Regeltechnik, der Fahrzeugbau, die Feinmechanik oder die Elektrotechnik und Elektronik. In letzteren beiden wird die Kupferlegierung aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit unter anderem zur Fertigung von Klemmkontakten, Steckverbindungen, Hohlleitern oder Antennen verwendet.

Einteilung der Werkstoffe

Die in den Tabellen 7, 8 und 9 der Norm DIN CEN/TS 13388 aufgelisteten Knetlegierungen sind gemäß DIN EN 1412 in drei Gruppen eingeteilt:

  • A: Kupfer-Zink-Knetlegierungen ohne weitere Legierungselemente
  • B: Kupfer-Zink-Knetlegierungen mit Blei und
  • C: Kupfer-Zink-Knetlegierungen mit weiteren Legierungselementen (Mehrstofflegierungen).

In der Gruppe A unterscheidet man zweckmäßigerweise Legierungen mit einem Zinkgehalt bis 37 % und Legierungen mit über 37 % Zink. Die Legierungen mit weniger als 37 % Zink haben ein homogenes α-Gefüge. In Legierungen mit über 37 % Zink tritt zusätzlich β als zweite Phase auf, wodurch die Eigenschaften wesentlich verändert werden. Die gleiche Einteilung ist auch für die Gruppe B üblich. Diesen Legierungen ist bis zu 3,5 % Blei zur Verbesserung der Spanbarkeit zugesetzt. Blei ist in Kupfer-Zink-Legierungen unlöslich. Die Bleieinschlüsse wirken im Gefüge als Spanbrecher. In Gruppe C enthalten die Legierungen Zusätze von Aluminium, Zinn, Nickel, Eisen, Silizium, Mangan usw. Diese Zusätze verschieben mehr oder weniger die Phasengrenzen des Systems Kupfer-Zink; sie beeinflussen das Gefüge und die Eigenschaften. Vor allem dienen sie der Verbesserung der Festigkeit sowie der Gleit- und Verschleißeigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit.

Die reinen (binären) Kupfer-Zink-Legierungen können aufgrund ihres Gefügeaufbaus in drei Hauptgruppen unterteilt werden.
Die erste Gruppe von Legierungen bis ca. 37 % Zink weist ein einheitliches Gefüge auf (α-Phase) und kristallisiert in einem kubisch-flächenzentrierten Gitter.
Die zweite Gruppe, gekennzeichnet durch ca. 37 bis 46 % Zink, enthält mit der β-Phase, die in einem kubischraumzentrierten Gitter erstarrt, zusätzlich einen Gefügebestandteil geringerer Plastizität, dessen Anteil
am Gesamtgefüge mit dem Zinkgehalt zunimmt (α+β-Gefüge).
Die dritte Gruppe von Werkstoffen mit ca. 46 bis 50 % Zink besteht wiederum aus einem einheitlichen Gefüge (β-Phase).
Bei noch höheren Zinkgehalten tritt als weiterer Gefügebestandteil die γ-Phase auf, dessen extreme Sprödigkeit solche Legierungen technisch unbrauchbar werden lässt.

Die Eigenschaften der binären Kupfer-Zink-Legierungen ändern sich in Abhängigkeit vom Zinkgehalt im Gebiet der α-Mischkristalle relativ gleichmäßig. Bei höheren Zinkgehalten beobachtet man dagegen mit dem Auftreten von β-Mischkristallen im Gefüge meist sprunghafte Eigenschaftsänderungen. Außer dem Zinkgehalt werden die Eigenschaften vom Gehalt an weiteren Legierungselementen beeinflusst. Für bestimmte Bedarfsfälle stehen damit jeweils geeignete Legierungsvarianten zur Verfügung.

Automatenmessing (MS58)

Für das so genannte Automatenmessing ist in der Praxis der Begriff “Ms58” immer noch verbreitet. Eigentlich ist es nicht mehr zulässig, dass heute immer noch von Ms58 gesprochen wird, da es diese Qualität nach Norm nicht mehr gibt. In DIN 17660, Ausgabe Aug. 1954, wird folgende Zusammensetzung des damaligen Ms 58 angegeben:

  • Cu 57-59.5; Pb 1-3; Zn Rest; Fe 0.5, Sn 0.3, Al 0.1, Mn 0.2, Ni 0.5, Sb 0.02, sonstige 0.2 max.

In diese Analyse passen zwar die heute zu verwendenden Werkstoffe hinein, jedoch erfolgte 1967 eine Aufteilung in drei Legierungsgrupppen und zunächst fünf Legierungen, was 1974 auf die heute noch vorhandenen drei Legierungen reduziert wurde. Die Unterschiede zwischen den Werkstoffen CuZn39Pb2, CuZn39Pb3 und CuZn40Pb2 leiten sich aus ihren speziellen Einsatzgebieten her. Jeder dieser Werkstoffe wurde hinsichtlich bestimmter Verarbeitungsverfahren optimiert:

  • CuZn39Pb2 (CW612N nach EN, 2.0380 nach vorm. DIN): gut warmumformbar, begrenzt kaltumformbar (Biegen, Nieten, Bördeln); gut stanzbare Bohr- und Fräsqualität;
  • CuZn39Pb3 (CW614N nach EN, 2.0401 nach vorm. DIN): gut warmumformbar; Hauptlegierung für Bearbeitung auf Automaten;
  • CuZn40Pb2 (CW617N nach EN, 2.0402 nach vorm. DIN): gut warmumformbar, begrenzt kaltumformbar; Legierung für alle spanenden Bearbeitungsverfahren und genau gezogene Strangpreßprofile.

Für Trinkwasseranwendungen spielen geringe Unterschiede der technologischen Eigenschaften keine wesentliche Rolle. Regelwerke begrenzen zudem die Anzahl einsetzbarer Werkstoffe auch innerhalb der o.g. Gruppe. Im Streitfall kann eine Benennung Ms58 erhebliche Probleme bereiten. Das so genannte Ms58 stellt einen verbreiteten Werkstoff dar, der praktisch immer ab Lager verfügbar ist. Daher wird Kunden häufig zu diesem Werkstoff geraten, obwohl eine genauer spezifizierte Qualität nach den geltenden Normen  oder aber ein anderer, weniger gefragter Messingwerkstoff zuweilen geeigneter wäre

Eigenschaften von Kupfer-Zink (Messing)-Knetlegierungen

Physikalische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Elektrische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Thermische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Magnetische Eigenschaften (Knetlegierungen)
Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur (Knetlegierungen)
Mechanische Eigenschaften bei erhöhten und tiefen Temperaturen (Knetlegierungen)
Eigenschaften von Kupfer-Zink (Messing)-Gusslegierungen

Physikalische Eigenschaften (Knetlegierungen)

Die Dichte des reinen Kupfers beträgt bei 20 °C 8,93 g/cm3. Dieser Wert wird mit steigendem Zinkgehalt geringer. Der Elastizitätsmodul nimmt mit dem Zinkgehalt bis zur Grenze des α-Gebietes leicht, im (α+β)-Gebiet stark ab. Ein Merkmal der Kupfer-Zink-Legierungen ist ihre ansprechende Farbe. Die Kupferfarbe ändert sich mit zunehmendem Zinkgehalt über Goldrot bei CuZn5, Goldgelb bei CuZn15 und Grünlichgelb bei CuZn28 zu einer sattgelben Tönung bei CuZn37. Mit dem Auftreten der β-Kristalle in den zweiphasigen (α+β)-Kupfer-Zink-Legierungen  ändert sich der Farbton ins Rötliche. Hierzu ist allerdings zu erwähnen, dass bei einer Abschätzung der Zusammensetzung aufgrund der Farbe durch Zusatz kleiner Mengen anderer Legierungselemente stark verändern kann. So ergeben z.B. geringe Zusätze von Aluminium zu CuZn40Pb2 eine grünlich-gelbe und von Mangan eine bräunliche Färbung. Das macht die Kupfer-Zink-Legierungen für Architektur und Kunst interessant.

Elektrische Eigenschaften (Knetlegierungen)

Die elektrische Leitfähigkeit des α-Messings fällt mit steigendem Zinkgehalt bis auf einen Wert von etwa 15,5 MS/m ab, CuZn5 mit einer Leitfähigkeit von immerhin noch über 33 MS/m ist ein begehrter Werkstoff für spezielle Anwendungen im Bereich des Elektromaschinenbaus. Mit zunehmendem Kaltumformungsgrad wird die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt.

Thermische Eigenschaften (Knetlegierungen)

Die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit dem Zinkgehalt ab und steigt mit der Temperatur an. Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient vergrößert sich mit dem Zinkgehalt.  Die spezifische Wärme ist im α-Gebiet mit 0,377 bis 0,390 J/g × K nahezu unabhängig vom Kupfergehalt. Im (α+β)-Gebiet steigt sie mit wachsender Zinkkonzentration an.

Magnetische Eigenschaften (Knetlegierungen)

Eisenfreie Kupfer-Zink-Legierungen sind diamagnetisch. Die spezifische Suszeptibilität des reinen Kupfers von –0,086 × 10-6 steigt mit dem Zinkgehalt an, und zwar bis auf –0,19 × 10-6 bei CuZn43Pb2. Sie ist temperaturabhängig.

Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur (Knetlegierungen)

Die üblichen Kupfer-Zink-Legierungen sind nicht aushärtbar. Deshalb lassen sich außer durch Legierungsverfestigung hohe Härte- und Festigkeitskennwerte nur durch Kaltumformung erreichen. Mit steigendem Zinkgehalt – bis etwa 45 % Zn – nehmen Zugfestigkeit und Brinellhärte zu. Die Bruchdehnung erreicht bei etwa 30 % Zn einen Höchstwert. CuZn30  ist am besten kaltumformbar. CuZn37, in Deutschland aus wirtschaftlichen Gründen die Hauptlegierung für Kaltumformung, steht jedoch CuZn30 im Kaltumformungsermögen nur wenig nach. Bestimmte Legierungszusätze verbessern die mechanischen Eigenschaften der Kupfer-Zink-Legierungen, bei einigen Legierungen auch die Verschleiß- und Gleiteigenschaften. Mit dem Kaltumformungsgrad nehmen Zugfestigkeit und Härte zu, die Bruchdehnung nimmt ab. Die Zugfestigkeit der binären Kupfer-Zink-Knetlegierungen als Band oder Blech liegt je nach Zusammensetzung und Kaltumformungsgrad, welcher den Werkstoffzustand festlegt, zwischen 230 und über 610 N/mm2, die Brinellhärte HB zwischen 45 und 180; die Vickershärte HV liegt messverfahrensbedingt geringfügig höher als die Brinellhärte.

CuZn37 ist ein guter Federwerkstoff (Federeigenschaften für Bänder und für Drähte. Einphasige α-Kupfer-Zink-Legierungen lässen sich gut tiefziehen. Die Tiefungswerte für CuZn36, R300 (und CuZn37, R300 liegen je nach Blechdicke (0,3 – 2 mm) zwischen 11 – 14,3 mm. Die Dauerschwingfestigkeit wird meist als Wechselfestigkeit bestimmt. Mit abnehmendem Kupfergehalt steigt die Wechselfestigkeit an. Bei „Mehrstofflegierungen“ liegt die Wechselfestigkeit z.B. von CuZn37Mn3Al2PbSi zwischen 170 N/mm2 im gepressten und 190 N/mm2 im gezogenen Zustand [1]. Das Verhältnis von Wechselfestigkeit zur Zugfestigkeit liegt zwischen 0,26 und 0,33 in dem bei Kupferwerkstoffen üblichen Rahmen.

Mechanische Eigenschaften bei erhöhten und tiefen Temperaturen (Knetlegierungen)

Insbesondere „Mehrstofflegierungen“ haben bei erhöhten Temperaturen noch gute Eigenschaften.  Die Zeitstandfestigkeit der Kupfer-Zink-Legierungen steigt – zumindest bei niedrigen Temperaturen – mit fallendem Kupfergehalt an.  Kupfer-Zink-Legierungen verspröden bei tiefen Temperaturen nicht. Dies ermöglicht ihren Einsatz als Konstruktionswerkstoffe im Tieftemperaturbereich.

Eigenschaften von Kupfer-Zink (Messing)-Gusslegierungen

Die Kupfer-Zink-Gusslegierungen werden ihrer Eignung entsprechend in Sand (GS)-, Kokillen (GM)-, Schleuder (GZ)-, Strang (GC)- und Druckguss (GP) eingeteilt. Bei Mehrstofflegierungen für Formguss unterscheidet man in der Praxis die Legierungen außerdem noch nach ihrem Lötverhalten und den mechanischen Eigenschaften; demnach ist zwischen aluminiumfreiem, weich- und hartlötgeeignetem und hochfestem, aluminiumhaltigem Legierungen zu unterscheiden.

Die meisten physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Leitfähigkeit und Ausdehnung von Kupfer-Zink-Gusslegierungen sind mit denen der Knetlegierungen im weichgeglühten und rekristallisierten Zustand vergleichbar.

Magnetische Eigenschaften: Eisenfreie Kupfer-Zink-Gusslegierungen sind diamagnetisch. Die spezifische Suszeptibilität des reinen Kupfers von –0,086 × 10-6 steigt mit dem Zinkgehalt an. Sie ist temperaturabhängig.

Mechanische Eigenschaften: Die Skala der Zugfestigkeitswerte reicht hier bis 750 N/mm2. Einen erheblichen Einfluss hat das Gießverfahren, wie ein Vergleich mit den Kennwerten für Sandguss zeigt.

Mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen: Insbesondere „Mehrstofflegierungen“ haben bei erhöhten Temperaturen noch gute Eigenschaften.

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